(57)【要約】【課題】  高生成機能、温度制御機能及び凍結防止機能を付与したことを特徴とする小型軽量化した水電気分解装置を提供する。【解決手段】  グラファイト板を電極用基材として使用し、その両面に対して、陽極及び陰極として使用する面にそれぞれグラフェン層、酸素及び水素過電圧の低い水素吸蔵金属層またはその合金層を形成して成る積層構造体を電解用電極として使用することで、比較的に低い温度環境下でも水素及び酸素ガスの生成において、生成効率及び電力効率の向上を実現することができ、それにより水電気分解装置を小型軽量化することが可能となる。また、低濃度水酸化物混入水溶液または浄化し濃縮した水道水から成る電解槽内に、熱の発生源として耐食性電熱材または防水加工された電熱材による電熱機構を設け、それに加える外部電力を制御することで、温度制御及び凍結防止を実現することができる。【選択図】図１
2013189699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び酸素ガスの生成効率及び電力効率を向上させるため、軽量なグラファイト板を電極用基材として使用し、その両面に対して、陽極及び陰極として使用する面にそれぞれ水素吸蔵物質層であるグラフェン層、酸素及び水素過電圧の低い水素吸蔵金属層またはその合金層を形成して成る積層構造体を電解用電極として使用したことを特徴とし、それにより小型軽量化した水電気分解装置
【請求項２】
電解反応温度まで運転稼動時から短時間で達成し、また電解槽内水溶液の凍結防止を実現にするため、低濃度水酸化物混入水溶液または濃縮した浄化水道水から成る電解槽内に熱の発生源として、耐食性電熱材または防水加工された電熱材による電熱機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の水電気分解装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、水素及び酸素ガスを生成する水電気分解装置に係り、特に、高生成機能、温度制御機能及び凍結防止機能を付与したことを特徴とする小型軽量化した水電気分解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  水素及び酸素を生成する水電気分解装置及びその生成方法に関しては、工業的には成熟した技術である。また、多方面への利用を目的として小型化した水電気分解装置は、既に様々な方法が提案され、実用化に向けての研究開発がなされている。【０００３】  水電気分解装置の性能は、電気分解自体が酸化−還元反応であるため、使用する電解用電極の材質や特性に大きく左右される。また、電力効率の面からも酸素及び水素過電圧の低い材質が要求され、陽極ではニッケル（Ｎｉ）、陰極では白金（Ｐｔ）が理想的とされている。しかしながら、実用化においては、チタン（Ｔｉ）や鉄（Ｆｅ）属の合金類（例えば、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）を含むステンレス鋼）等が一般的に使用されている。一方、水電気分解装置の小型軽量化に伴い、電極反応効率のよい電極の開発も進められている。【０００４】  通常の水電気分解装置では、工業的には濃度が重量比で１８〜２０％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液や、２５〜３０％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液が使用されているが、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液では５０〜７０度、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液では７０〜９０度の温度範囲で稼動している。この場合、一般的に電解槽内の温度を安定な熱平衡状態に維持する方法としては、外部から電解用電極に印加する電力を制御することで行われている。一方、小型化された水電気分解装置では、安全上、上記化学物質の低濃度化や比較的に低い温度での稼動が重視され検討が進められており、また電解槽内の温度に関しては上記と同様の制御方法が取られている。【０００５】  水電気分解装置の多方面での応用を考えた場合、冬場の寒冷地での使用において、槽内水溶液の凍結の問題も考慮しなければならない。このため自動車等で搭載されているバッテリー等の水溶液には、寒冷地での仕様として−２０度まで凍結しないことが要求されている。上記の問題を解決するため、水電気分解槽内で水素及び酸素ガス生成特性に影響しないということで、化学物質であるホウ水素化ナトリウム（ＮａＢＨ４）を凍結防止剤として電解水溶液に混合することが効果的であるという結果が示された。ホウ水素化ナトリウム（ＮａＢＨ４）は、１０〜２０％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液中においては安定であり、７０〜２６０ｇ／Ｌを混入することで凝固温度が−２０度以下に保持されている。（特許文献１、２参照）【０００６】  また、電熱材または電熱素子も利用されているが、その中でもサーモスタットで制御できる各種電熱線材や、シート状に加工した凍結防止材が実用化されている。これらの電熱材は、電解槽の外部に巻くか、若しくは覆い被せ、それに電力を入力し熱を発生させることで、外部から熱を伝達し凍結を防止する方法である。ここで使用する制御装置としてのサーモスタットは、供給電力を温度３度でＯＮ状態にし、１０度でＯＦＦ状態にする機能を有したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４６６１８号公報
【特許文献２】特表２００５−５２０７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  しかしながら、水電気分解装置の生成効率や電力効率の向上、また小型軽量化を実現するには、従前の電解電極の使用では難しい。上記の問題を解決するには、酸素及び水素過電圧が低く、また軽量で電気伝導率が高く、かつ電解反応効率の優れた材質の使用が特に要望される。また、従前の稼動温度の制御方法や、電解水溶液の凍結防止方法では、当該水電気分解装置の多方面への利用や応用において、障害や危険が生じる恐れがあった。事実、水電気分解装置をトラック等に搭載する場合、電解槽内の温度を速やかに熱平衡状態にし、その温度での安定的な稼動状態を維持する必要があるが、従前の方法では、電解槽内の温度が緩やかに上昇するため、安定的な稼動を実現するにはかなりの時間を要する。【０００９】  特に、水溶液内電解質の濃度を１％以下と微量にした場合、水溶液の電気伝導率がかなり低下するため、電解用電極の間隔を５ｍｍ以下と狭くしたとしても、要求する水素及び酸素ガスの生成量を得るには、ある程度の電力を加える必要があるが、それに伴い水溶液内でのジュール熱の発生等により電解槽内の温度はかなり上昇する。したがって、電力損失等による熱の発生温度が８０度以上になると電解槽内で水蒸気の発生が起こり始めるので、使用上危険を伴うため好ましくない。【００１０】  一方、電解槽内の水溶液の凍結防止においても、危険物である化学物質を、比較的多量に使用しなければならないため、取り扱いに危険を伴うので好ましくない。また、凍結防止用として一般的には、各種電熱線材や、シート状の電熱材が使用されているが、それらを電解槽の外側に取り巻くか、または覆い被せなければならず、トラック等への搭載、または室内以外の外部環境で使用する場合、風雨に曝されるなどにより破損や腐食等の恐れがあり、またそれに伴う漏電等による重大な事故につながる恐れがある。【００１１】  本発明は、従来技術における問題を解決するためになされたもので、水電気分解装置の生成効率や電力効率の向上、その帰結としての小型軽量化、短時間で電解温度を達成することによる安定的な稼動や電解水溶液の凍結防止等を実現するため、新たな方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明は、電解反応効率のよい電解用電極の使用による水素及び酸素ガスの効率的で安定的な生成、電解槽内に熱源として電熱材を設けた電熱機構による安定稼動温度の早期達成及び水溶液の凍結防止に関する実験結果からの知見に基づいてなされたものである。【００１３】  したがって、本発明は、前記記載の目的を達成するために、電解反応効率のよい電極材の使用することで水素及び酸素ガスの生成効率を向上させ、また電解槽内部電熱材による電熱機構を設けることで短時間に電解温度まで上昇させ水電気分解装置の安定稼動を達成し、寒冷時における電解水溶液の凍結防止を実現することを特徴としている。【００１４】  以下、課題の解決手段に関し順を追って説明する。【００１５】  本発明における第１の解決手段は、電解用電極を水素及び酸素過電圧が低く、また比較的低い温度でも電解反応効率がよく、かつ軽量の物質で構成し、水電気分解装置の水素及び酸素ガスの生成効率の向上を実現する方法を提供することである。これにより水電気分解装置の省電力化や小型軽量化も実現できる。【００１６】  水を電気分解して水素２容に対し酸素１容の発生で必要な理論分解電圧は、２５度では約１．２３Ｖとなるが、実際には電極における過電圧や、水溶液内でのジュール熱の発生等のエネルギー損失を考慮しなければならない。水の電気分解は酸化−還元での電極反応であるため、使用する電極の材質や性能はその選択において非常に重要な因子である。電力利用効率の面から、陽極としては酸素過電圧が０．３Ｖと低い材質が、また陰極としては水素過電圧が０．１〜０．２Ｖの材質が要求される。【００１７】  上記要求を満たす陽極材としては、白金類、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）族系の合金類、チタン（Ｔｉ）やグラファイトがこれに相当するが、コスト的な面からは鉄（Ｆｅ）族の合金類、チタン（Ｔｉ）やグラファイトの使用が好ましく、また水電気分解装置の小型化、軽量化の面からはグラファイトの使用が最も好ましい。また、陰極材としては、白金類、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）やグラファイト等があるが、好ましくはニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）の合金やグラファイトがよい。しかし、水溶液中での耐久性や小型軽量化の面から、やはり軽量物質であるグラファイトの使用が最も好ましい。【００１８】  グラファイトは、多孔質物質であり、炭素から成る元素鉱物として六方晶系、六角板状結晶として、その構造は亀の甲状の層状物質で、層面内は強い共有結合でつながっているが、層間は弱いファンデルワールス力で結合している。グラファイト結晶は、面内炭素原子間距離０．１４２ｎｍ、層面間距離０．３３５ｎｍの異方性の強い層状構造を有しており、そのような特長により層間を拡張しながら反応物質を挿入する、いわゆるインターカレーション効果を発揮する多孔体である。したがって、多孔質グラファイトも、水素に対し高い吸着、吸蔵能力を有している。この水素に対する高い吸着、吸蔵能力は、水素及び酸素ガスの生成効率に大きな影響を及ぼす。【００１９】  水の電気分解においては、水素の吸蔵よりも電解反応が優勢となるため、陰極側に吸着した水素イオン（Ｈ＋）は放電により水素ガス��して生成される。したがって、反応性の高い水素吸蔵物質を電解用電極として使用することは、水素及び酸素ガスの生成効率の向上において有効な手段となり得る。【００２０】  したがって、電極材としてのグラファイトは、電極での高反応性により単位電力当りの水素及び酸素ガスの生成量が、他の電極材に比べ遜色がなく高い傾向にあることが知られている。特に、グラファイト表面にシート状のグラフェン層を形成した構造体は、水素の吸着、吸蔵能力に優れた特性を有しているため、電解用電極として使用した場合、単位電力当りの水素及び酸素ガスの生成における高効率化が大いに期待できる。グラフェンというのは、１原子厚のｓｐ２結合炭素原子のシート状をさしているが、グラファイトと同様に六角形格子構造を成している。【００２１】  グラファイト自体は、グラフェンシートが多数積み重なってできているものであるが、電極に加工する際に表面層がグラフェン層というよりは、欠陥の多い複雑な層が形成されている。したがって、電解電極として使用する場合、グラファイトの両面加工層を研磨やエッチング等により平坦に処理し、その両面にグラフェンを数μｍ厚に積層した方が最も好ましい。したがって、グラファイトを電極用基材として使用し、その表面にグラフェン層を積層することにより、かなり安定した状態の表面を形成することができる。グラファイト両面にグラフェン層を形成するための形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法やＣＶＤ法等があり、これらの気相成長法により欠陥の少ないグラフェン層を形成することができる。【００２２】  また、グラフェン層ではなく、グラファイト両面に水素吸蔵物質層である酸素及び水素過電圧の低い水素吸蔵金属層、水素吸蔵合金層を形成した電解用電極も、単位電力当りの水素及び酸素ガスの生成における高効率化が大いに期待できる。この場合においても、上記気相成長法により形成できる。なお、グラファイト両面への層状形成物質としては、酸素及び水素過電圧の低い水素吸蔵物質であれば、上記に記載した物質に限定されるものではない。勿論、酸素過電圧の低い水素吸蔵物質層は陽極として、また水素過電圧の低い水素吸蔵物質層は陰極として使用される。【００２３】  また、グラフェン層や水素吸蔵金属層またはその合金層の形成は、グラファイト板の片面だけでもよく、この場合は水素吸蔵物質層の形成面は陰極として、また他方のグラファイト面を陽極としての使用か、またはその逆の使用でもよく、何れの場合でも電極反応効率において特に大きな影響を及ぼすものではない。例えば、陰極面にグラファイトよりも水素過電圧の低いニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）や鉄（Ｆｅ）等の金属層またはその合金層を形成し、電解電極として使用した場合、電極反応特性が高いため生成効率はかなり向上する。ただし、グラファイト自体は、不溶性であるため問題はないが、陰極用物質の耐食性を高めるため形成層の表面に極薄い安定皮膜の形成が必要であり、耐食性に優れたクロム（Ｃｒ）を１０〜２０％程度混入する必要がある。含有したクロム（Ｃｒ）は酸素と結合して表面に５ｎｍ程度の安定化した極薄い皮膜を形成する金属である。電解電極として使用されているステンレス鋼に���、クロム（Ｃｒ）を１０〜２０％含んでいるため、電解による生成効率に対して特に影響を及ぼすものではない。【００２４】  水素吸蔵物質は、水素吸蔵性及び水素放出性を有した物質で構成されているが、鉄（Ｆｅ）属系はほとんどが水素放出性を有した物質である。したがって、ニッケル（Ｎｉ）や鉄（Ｆｅ）等の金属層またはその合金層を陰極として使用した場合、陰極に吸着した水素イオン（Ｈ＋）は放電により速やかに水素ガスとして放出される。【００２５】  本発明における第２の解決手段は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、電解槽内温度を短時間の間に熱平衡状態である安定稼動温度まで引き上げ、水電気分解装置の早期安定稼動を実現する方法を提供することである。【００２６】  電解用電極の配置には直列式（複極式）と、並列式（単極式）の二通りがある。並列式は多数の電極が並列に接続されているものであるが、一極当りの電流容量は大きく、電圧は１．９〜２．６Ｖ程度を要する。一方、直列式の場合は電極が交互に絶縁されて組まれており、電圧は中間電極の数だけ高くなる。本発明における解決手段は、どちらの方式の水電気分解装置にも適用できることはいうまでもない。【００２７】  水電気分解装置に外部から電力を供給し稼動を開始する場合、初期の温度は常温であるが、時間の経過とともに穏やかに温度が上昇する。この時、温度の上昇に伴い電圧及び電流が変動し安定しないため、水素及び酸素ガスの生成量自体も変動し、槽内温度が熱平衡状態に達するまでは安定な生成量を得ることができない。【００２８】  上記問題は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、それに外部電力を加え制御することで解決できる。電解槽内に設けた電熱機構は、電解槽内の温度を効果的に制御することを可能にする。電解槽外部に取り付けた電熱材による加熱方式では、加えた電力により外部から加熱するため、電解槽内部までに熱が伝わるまでに時間がかかるだけでなく、また時間がかかる分、電力消費量もばかにならない。しかし、本発明における電熱材内蔵形式は、電解槽内水溶液に熱を直接伝えるため、目的とする温度まで上げるのに極めて短時間で済み、供給電力の消費量も少なく経済的であるため最も好ましい方法である。また、目的温度に達した後は、電熱材へ加えた電力を止める制御を行うことで、水電気分解装置の安定的な稼動を実現できることはいうまでもない。【００２９】  使用する電熱材は、電解槽内に設置するため、耐食性材質、または防水加工された材質のものを使用することが好ましく、しかもそれら材質が低電力仕様であることが最も好ましい。また、使用する電熱材は、線状、網目状若しくはシート状に加工された物であればよく、電解槽内での配置は底面部位、槽壁部位、電極内臓セル外壁と電解槽内壁の間の部位、若しくは電極内臓セル外壁に設置すればよいが、電熱材の配置場所としては、電極内臓セル外壁に設置することが最も好ましい。この設置方法により、セル外壁を通して電極内蔵セル内の電解水溶液を加熱でき、またセル外壁と槽内壁の間の電解水溶液を同時に加熱することができるので、電解槽内の電解水溶液全体を効率的に、また速やかに加熱することができる。【００３０】  本発明における第３の解決手段は、第２��解決手段の帰結ともいえるが電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、それに外部電源から電力を加え制御し、電解水溶液の凍結を防止した水電気分解装置の実現方法を提供することである。【００３１】  水電気分解装置を冬場における寒冷地で使用する場合、電解水溶液の凍結が大きな問題となるが、電解槽内に設けた電熱材による電熱機構を利用することは、凍結防止策として最も有効な方法である。【００３２】  最近の傾向として、水電気分解装置の多方面への応用を可能にするため、装置自体の小型化が推し進められている。装置の小型化に伴い、電解セル内の電極間距離も狭まり、１〜５ｍｍとなっている。また電極間距離の短縮に伴い水溶液中の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）の使用量も減少する傾向にあり、濃度として０．１〜１．０％となっている。【００３３】  一方、特別なケースではあるが、浄水器やイオン交換樹脂を通すことで、水電気分解を妨げる外乱因子としての、塩素等の物質を除去した水道水を使用することも検討されている。このような傾向は、危険物としての化学物質の取り扱いが減少するため、非常に好ましいことである。水道水には残留物として、カルシウム（Ｃａ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）等が微量に含まれているが、これらの物質は電気分解に寄与するものである。したがって、浄化した水道水を適当な方法により安価に濃縮できれば、より効果的に電気分解に寄与することが期待され、また取り扱いが危険な水酸化物等の化学物質を使用する必要がなくなるため最も好ましい。【００３４】  電解槽内水溶液の凍結防止剤としては、既にホウ水素化ナトリウム（ＮａＢＨ４）等の化学物質の使用が検討されたが、凝固温度を−２０度以下に保持するには、多量の混入を必要とするため、化学物質を少なめにした水溶液または浄水した水道水を使用しようとする傾向とは逆行するもので、その取り扱いに危険が伴うため好ましい方法とはいえない。【００３５】  また、水道水等の凍結防止材としては、サーモスタットで制御できる、線状やシート状の電熱材が一般的に使用されている。このような電熱材を電解層の外側を取り巻くことで凍結防止を行うことができるが、すでに記載したように、トラック等に搭載する場合、風雨に曝されることにより破損や腐食等の恐れがあり、またそれに伴う漏電等の重大な問題が生じる恐れがあるため好ましくない。【００３６】  凍結防止自体の目的は、電解水溶液の凍結を防止することにより、電解槽内部の構造変化、電解水溶液の特性変化や電解反応の変化を防止することにある。したがって、電熱材を電解槽内部に設け、外部から電力を加えることで発生する熱は、直接電解水溶液に速やかに伝わるのでより効果的であり、それに消費される電力を少なく抑えることができる。【００３７】  上記の問題は、既に記載した電解槽内に設けた電熱材を、そのまま凍結防止用として使用することで解決できる。また、凍結を防止するための温度制御は、サーモスタットを使用して行ってもよく、また別の制御装置を使用して行ってもよい。しかしながら、電解水溶液の凍結防止温度としては、６度前後であれば十分なので、サーモスタットで制御するよりも電力効率の面から別電源で制御する方が遥かに好ましい。【００３８】  使用する電熱材の仕様や電解槽内における配置に関しては、既に記載した。それにより第２の解決手段の場合と同様の効果を得ることができる。また、電熱材として各種形状のものがあるが、水電気分解装置の小型軽量化に大きく影響するものではない。【００３９】  以上のように、本発明は、効率的な生成を可能にする電解用電極を使用し、また水溶液の加熱用としての電熱材を電解層の内部に設け、それらに加える外部電力を制御することで、安定的な稼動による水素及び酸素ガスの生成効率の向上や、電解水溶液の凍結防止を可能にした水電気分解装置を提供する。
【発明の効果】
【００４０】  本発明によれば、グラファイト板を電極用基材として使用し、陽極として使用する面にはグラフェン層、酸素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成し、また陰極として使用する面にはグラフェン層、水素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成することで水素及び酸素ガスの生成効率が向上し、かつ電力効率の向上も実現することができる。上記高生成効率及び高電力効率は、電解用電極の面積を使用目的に応じて選択することができ、また軽量なグラファイト板を電極用基材として使用したため、水電気分解装置の小型軽量化も同時に達成することができる。【００４１】  また、本発明によれば、電解層内部に電熱材による電熱機構を設け、それに加える外部電力を制御することで、安定的な稼動による水素及び酸素ガスの生成や、凍結を防止する機能を有した水電気分解装置を提供することにより、危険な凍結防止用化学物質の使用が回避できるだけではなく、風雨に曝されることにより破損や腐食等の恐れや、またそれに伴う漏電等の重大な問題も回避することができる。また、電解層内部に電熱材による電熱機構を設けたとしても、水電気分解装置の小型軽量化は十分に可能であるため、その使用において上記記載の機能により多方面への応用を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】  電解用電極の構造を示す斜視図である。
【図２】  水電気分解装置の稼働において電熱機構を使用しない場合と使用した場合の時間の経過による温度上昇及び平衡温度状態を示す対比グラフである
【発明を実施するための形態】
【００４３】  以下、本発明の実施の形態に係る水電気分解装置の生成効率の向上させる方法、電解温度での安定稼動を実現する方法や電解水溶液の凍結を防止する方法に関して、その態様を説明する。
【００４４】  まず、本発明の第１の実施形態に係る電解反応効率の高い電解用電極の使用による水素及び酸素ガスの生成効率及び電力効率を高める方法に関して、以下に説明する。
【００４５】  図１は、本発明の実施のために使用する電解用電極の構造を示す斜視図である。基材としてのグラファイト板に電力供給端子を取り付けるための端子孔を設け、研磨やエッチングを施した後、プラズマＣＶＤ装置によりグラファイト板１１の両面に対しグラフェン層１２、１３を形成した積層構造体としての電解用電極１を示している。
【００４６】  電解用電極１の大きさは、面積が３０×２０ｃｍ２、厚さが０．８ｍｍである。電解用電極１は３枚一組として２極を電解セル内に組み込んでいるが、電解槽内に連結して４セルを組み込んであるので、電解用電極板１の枚数は１２枚で、電解用電極８極を直列に連結した構成になっている。また、電極間距離は５ｍｍである。
【００４７】  実験に使用した水電気分解装置は、電解槽函（３４×１８×２６ｃｍ２）がステンレス鋼で組み上げられ、上蓋が厚めのプラスチックで構成されている。電解槽函に関しては、軽量化の面から自動車に搭載されているバッテリーと同様の強化プラスチック材を使用することが好ましい。また、上蓋には、電解電極への電力供給端子、電熱材への電力供給端子、温度計測用端子、圧力弁や水素及び酸素ガス取り出し口が設けられている。電解水溶液としては、蒸留水（９．５ｌ）に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を重量比で０．７％を加えたものである。
【００４８】  電気系統は、電源と制御系で構成されている。電源は、出力定格値として電圧２４Ｖ及び電流５０Ａであり、ＯＮ／ＯＦＦサイクルが２５ｍｓｅｃ、４０Ｈｚで、ＯＮ状態が７０％、ＯＦＦ状態が３０％のチョッパ方式を採用したものである。また、制御系は、供給電流制御及び温度制御回路で構成されている。
【００４９】  上記に示した構成の水電気分解装置で水素及び酸素ガスの生成実験を実施したが、電解槽内の温度が６０度の条件下で、１分間の生成量から割り出した単位電力当りの生成量が約５．２ｃｃ／Ｗ、また５０度の条件下では約４．８ｃｃ／Ｗという好結果が得られた。上記実験結果は、水電気分解装置の多方面への適用において十分に耐え得るものである。現に、ディゼルエンジン搭載のトラックの燃費試験では、２７％以上の燃費の向上効果が得られており、このテスト結果は当該水電気分解装置の多方面への適用が十分に可能であることを示している。
【００５０】  上記に示した結果は、グラファイト板を電極用基材として、その両面にグラフェン層を形成した積層構造体としての電解用電極の効率的な電解反応効率の向上によるもので、水素及び酸素ガスの生成効率や電力効率の向上に大きく寄与する電解用電極であることが確認された。
【００５１】  一方、グラファイト板を電極用基材として、陽極側にグラフェン層を、陰極側に鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−チタン（Ｔｉ）合金層を形成して、それを電解電極として使用し上記と同様の条件で実験を行ったが、生成効率は上記の結果よりも上回った。
【００５２】  以上の結果により、グラファイト板を電極用基材として、陽極として使用する面には水素吸蔵物質層であるグラフェン層、酸素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成し、また陰極として使用する面にはグラフェン層、水素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成することで水素及び酸素ガスの生成効率が向上し、かつ電力効率の向上も実現することができた。また、上記の結果から、電解用電極の面積を使用目的に応じて選択でき、また軽量なグラファイト板を電極用基材として使用したため、水電気分解装置の小型軽量化も達成することができる。
【００５３】  本発明の第２の実施形態に係る電解槽内に加熱用として電熱材による電熱機構を設けることで、水電気分解装置の電解反応温度による安定稼動を短時間で実現する方法と電解水溶液の凍結を防止する方法に関して、以下に説明する。
【００５４】  本発明による電熱材としては、ニクロム、タンタルやグラファイト等の各種物質があるが、当該実験で使用したのはニクロム線を加工しシート状にした電熱材である。シート状電熱材は、線状のニクロム線をジグザグ状に蛇行する形状に形成して、絶縁性、耐熱性及び耐食性に優れた折り曲げ可能な薄手の平板状シートで両側からはさみこみ、耐食性、耐熱性接着剤で接着するか、若しくは熱で溶着して形設した構造体である。線状電熱材の両端は外部電極と結合するための端子が設けてある。この端子は、外部から電力を入力できるようにしたものである。
【００５５】  シート状電熱材は、電解槽内の電解セルの外壁に巻き付け、ずれ等が起きないように貼り付けた状態で設置している。シート状電熱材の端子は、電解槽の上部に設けた端子と耐食性皮膜で被われた電線で結ばれている。このとき電熱線端子と電線の接合部はスパーク等の発生を防ぐため溶接する。また、電解槽の上部に設けた電極は電源装置に連結されている。このとき電源は、温度制御可能な制御装置が組み込まれており、それによって温度センサーからの信号を感知し供給電力を制御する。また、電源は、シート状電熱材と電解用電極に加える電力は独立しており、制御も独立して行う構成に設計されたものである。
【００５６】  図２は、水電気分解装置を稼動した時の温度上昇及び平衡温度状態を示したグラフである。横軸は稼働時間を示し、縦軸は電解槽内の温度を示している。温度曲線ａは電解用電極にだけに外部電力を加えた通常の稼動による温度上昇及び熱平衡温度状態になるまでのグラフを示しており、また温度曲線ｂは電解用電極と同時にシート状電熱材にも外部電力を加えた稼動による温度上昇及び熱平衡温度状態になるまでのグラフを示している。
【００５７】  上記グラフから明らかなように、電解用電極だけに外部から電力を供給した通常の稼動においては、温度上昇が緩やかであり、熱平衡温度である一定の温度に達するまではかなりの時間がかかる。また、電解用電極と同時にシート状電熱材にも外部から電力を加えた稼動においては、温度上昇は急であり、平衡温度である一定の温度に達するまでの時間はかなり短縮される。このときシート状電熱材に外部から加えた電力は、電解槽内温度が４５度を超えた時点で自動的に電源がＯＦＦ状態になり、電力供給が中断するよう制御される。その後は、電解電極だけに電力を供給し、その電力を制御することで水電気分解装置の安定稼動が可能となる。
【００５８】  以上のように、本発明による水電気分解装置は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、それに外部電源から電解用電極と同時に電力を加え、電解槽内の温度を急激に立ち上げ短時間に熱平衡温度である一定温度にすることで、目標とする水素酸素ガスの生成量を安定的に得ることを可能にした。
【００５９】  また、本発明の実施においては、水溶液電解質として水酸化物を使用することなく、浄化し濃縮した水道水を電気分解用水溶液として、上記と同様の水電気分解装置を使用して実験を行った。その結果、水溶液電解質として水酸化物を使用した場合と同様の温度特性を得ることができたと同時に、水素及び酸素ガスの生成量を安定的に得ることができた。したがって、本発明によれば、取り扱いが危険な水酸化物等の化学物質を電解質として使用することなく、最も安全である濃縮した浄化水道水を使用することでも十分に安定稼動が可能な水電気分解装置を提供することができる。
【００６０】  一方、本発明の実施においては、電解水溶液の凍結を防止の確認をするための実験も行った。この実験は、水電気分解装置を−３０度以下の冷凍室内に設置し、外部と遮断した雰囲気の中で行った。水溶液の凍結を防止するため、加える電力の制御は、電解槽内の温度が２度でＯＮ、６度でＯＦＦ、または６度で一定温度になるよう設定した。その結果、長時間の実験でも電解水溶液の凍結は起こることはなかった。また、実験後、当該水電気分解装置により水素及び酸素ガスの生成実験を行ったが、生成効率等の稼動特性には何ら変化は起こらなかった。
【００６１】  以上のように、本発明による水電気分解装置は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、電解槽内の温度を温度センサーにより感知し、それにより供給電力を制御することで電解水溶液の凍結を防止することを可能にした。これにより取り扱いが危険な凍結防止用化学物質を使用することなく、また電熱材を電解層の外側を取り巻くことで凍結防止を行うことがないため、風雨に曝されることによる破損や腐食等の恐れがなくなり、またそれに伴う漏電等の重大な問題が生じる恐れもなくなる。また、電源からの電力の制御もサーモスタットを使用しなくてもよいため、電力の消費も少なくてすむ。
【符号の説明】
【００６２】１：電解用電極
１１：グラファイト板
１２：蒸着したグラフェン層
１３：蒸着したグラフェン層
１４：電力供給端子を取り付けるための端子孔
ａ：電熱材を使用しないときの温度上昇曲線
ｂ：電熱材を使用したときの温度上昇曲線
【図１】
2013189699.tif 000003
【図２】
2013189699.tif 000004